แอกโซโลเติลสามารถสร้างสมองใหม่ได้ เผยความลับของการวิวัฒนาการและการสร้างสมองใหม่

แอกโซลอเติล (Ambystoma mexicanum) เป็นซาลาแมนเดอร์ในน้ำที่รู้จักกันในด้านความสามารถในการสร้างไขสันหลัง หัวใจ และแขนขา สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำเหล่านี้ยินดีที่จะสร้างเซลล์ประสาทใหม่ตลอดชีวิต ในปีพ.ศ. 2507 นักวิจัยสังเกตเห็นว่า axolotls ที่โตเต็มวัยสามารถสร้างส่วนต่าง ๆ ของสมองได้แม้ว่าส่วนที่มีขนาดใหญ่จะถูกลบออกอย่างสมบูรณ์ แต่ผลการศึกษาชิ้นหนึ่งพบว่าการสร้างใหม่ของสมอง axolotl มีความสามารถจำกัดในการฟื้นฟูโครงสร้างเนื้อเยื่อเดิม

แล้ว axolotls สามารถงอกใหม่สมองของพวกเขาได้ดีเพียงใดหลังจากได้รับบาดเจ็บ?

ในฐานะนักวิจัยที่กำลังศึกษาการงอกใหม่ในระดับเซลล์ เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันที่ห้องปฏิบัติการ Treutlein ที่ ETH Zurich และห้องปฏิบัติการทานาคาที่สถาบันพยาธิวิทยาระดับโมเลกุลในกรุงเวียนนาสงสัยว่า axolotls สามารถสร้างเซลล์ประเภทต่างๆ ทั้งหมดในสมองของพวกเขาได้หรือไม่ รวม การเชื่อมต่อระหว่างส่วนต่างๆ ของสมองกับส่วนอื่น ในการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ เราได้สร้างแผนที่ของเซลล์ที่ประกอบขึ้นเป็นส่วนหนึ่งของสมอง axolotl ซึ่งทำให้เห็นถึงการงอกใหม่และการวิวัฒนาการของสมองของสปีชีส์

ทำไมต้องดูที่เซลล์?

เซลล์ประเภทต่าง ๆ มีหน้าที่ต่างกัน พวกเขาสามารถเชี่ยวชาญในบางบทบาทเพราะแต่ละคนแสดงออกถึงยีนที่แตกต่างกัน การทำความเข้าใจว่าเซลล์ประเภทใดในสมองและเซลล์ใดช่วยอธิบายภาพรวมว่าสมองทำงานอย่างไร นอกจากนี้ยังช่วยให้นักวิจัยสามารถเปรียบเทียบวิวัฒนาการและพยายามค้นหาแนวโน้มทางชีววิทยาระหว่างสปีชีส์ต่างๆ

วิธีหนึ่งในการทำความเข้าใจว่าเซลล์ใดแสดงยีนใดโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการจัดลำดับ RNA เซลล์เดียว (scRNA-seq) เครื่องมือนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถนับจำนวนยีนที่ใช้งานอยู่ในแต่ละเซลล์ของตัวอย่างที่กำหนดได้ สิ่งนี้ให้ “ภาพรวม” ของกิจกรรมที่แต่ละเซลล์ดำเนินการเมื่อถูกรวบรวม

เครื่องมือนี้มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจประเภทเซลล์ที่มีอยู่ในสมองของสัตว์ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ scRNA-seq ในปลา สัตว์เลื้อยคลาน หนู และแม้แต่มนุษย์ แต่ปริศนาวิวัฒนาการสมองชิ้นหนึ่งหายไป นั่นคือ สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ






การจัดลำดับ RNA แบบเซลล์เดียวสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับหน้าที่เฉพาะของแต่ละเซลล์ในตัวอย่างได้

การทำแผนที่สมอง Axolotl

ทีมของเราตัดสินใจมุ่งเน้นไปที่เทเลนเซฟาลอนของแอกโซลอเติล ในมนุษย์ เทเลนเซฟาลอนเป็นส่วนที่ใหญ่ที่สุดของสมองและประกอบด้วยส่วนที่เรียกว่านีโอคอร์เทกซ์ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมและการรับรู้ของสัตว์ ในช่วงวิวัฒนาการล่าสุด นีโอคอร์เท็กซ์มีขนาดใหญ่ขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับบริเวณสมองอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน ชนิดเซลล์ที่รวมกันเป็นเทเลนเซฟาลอนนั้นมีความหลากหลายและซับซ้อนเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้ภูมิภาคนี้เป็นพื้นที่ที่น่าสนใจในการศึกษา

เราใช้ scRNA-seq เพื่อระบุเซลล์ประเภทต่างๆ ที่ประกอบเป็น axolotl telencephalon ซึ่งรวมถึงเซลล์ประสาทและเซลล์ต้นกำเนิดประเภทต่างๆ หรือเซลล์ที่สามารถแบ่งออกเป็นมากกว่าตัวเองหรือพัฒนาเป็นเซลล์ประเภทอื่นๆ เราระบุได้ว่ายีนใดทำงานเมื่อเซลล์ต้นกำเนิดกลายเป็นเซลล์ประสาท และพบว่าจำนวนมากผ่านเซลล์ประเภทกลางที่เรียกว่านิวโรบลาสท์ ซึ่งก่อนหน้านี้ไม่เป็นที่รู้จักในแอกโซโลเติล ก่อนที่จะกลายเป็นเซลล์ประสาทที่เจริญเต็มที่

จากนั้นเราทดสอบการงอกใหม่ของ axolotl โดยนำส่วนของเทเลนเซฟาลอนออก ด้วยวิธีการเฉพาะของ scRNA-seq เราสามารถจับและจัดลำดับเซลล์ใหม่ทั้งหมดได้ในระยะต่างๆ ของการฟื้นตัวตั้งแต่หนึ่งถึง 12 สัปดาห์หลังการบาดเจ็บ สุดท้าย เราพบว่าเซลล์ทุกชนิดที่ถูกนำออกไปนั้นได้รับการกู้คืนอย่างสมบูรณ์แล้ว

เราสังเกตว่าการฟื้นฟูสมองเกิดขึ้นในสามขั้นตอนหลัก ระยะแรกเริ่มต้นด้วยจำนวนเซลล์ต้นกำเนิดที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และเซลล์เหล่านี้จำนวนน้อยจะกระตุ้นกระบวนการสมานแผล ในระยะที่สอง เซลล์ต้นกำเนิดเริ่มแยกความแตกต่างออกเป็นเซลล์ประสาท ในที่สุด ในระยะที่สาม เซลล์ประสาทจะแยกความแตกต่างออกเป็นเซลล์ประสาทประเภทเดียวกันที่สูญเสียไปในตอนแรก

น่าแปลกที่เรายังสังเกตเห็นว่าการเชื่อมต่อของเส้นประสาทที่ถูกตัดขาดระหว่างบริเวณที่ถูกลบออกและส่วนอื่น ๆ ของสมองนั้นเชื่อมต่อกันอีกครั้ง การเปลี่ยนแปลงนี้บ่งชี้ว่าพื้นที่ที่ยึดคืนได้กลับมาทำหน้าที่เดิมแล้ว






ความสามารถในการฟื้นฟูของ Axolotls เป็นที่มาของความชื่นชมสำหรับนักวิทยาศาสตร์

สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำและสมองมนุษย์

การเพิ่มสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำในปริศนาวิวัฒนาการช่วยให้นักวิจัยสามารถอนุมานได้ว่าสมองและประเภทเซลล์ของมันเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาอย่างไร เช่นเดียวกับกลไกการฟื้นตัว

เมื่อเราเปรียบเทียบข้อมูล axolotl กับสปีชีส์อื่น เราพบว่าเซลล์ในเทเลนเซฟาลอนของพวกมันคล้ายกันมากกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ฮิปโปแคมปัส ซึ่งเป็นส่วนของสมองที่เกี่ยวข้องกับการสร้างความจำ และคอร์เทกซ์รับกลิ่นซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสมองที่เกี่ยวข้องกับความหมาย กลิ่น เรายังพบความคล้ายคลึงบางอย่างในเซลล์ axolotl ประเภทหนึ่งกับนีโอคอร์เท็กซ์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสมองที่รู้จักกันในด้านการรับรู้ การคิด และการใช้เหตุผลเชิงพื้นที่ในมนุษย์ ความคล้ายคลึงกันเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าบริเวณสมองเหล่านี้อาจมีการอนุรักษ์เชิงวิวัฒนาการหรือเทียบเคียงได้ตลอดวิวัฒนาการ และนีโอคอร์เทกซ์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอาจมีประเภทเซลล์บรรพบุรุษในเทเลนเซฟาลอนครึ่งบกครึ่งน้ำ

แม้ว่าการศึกษาของเราจะทำให้กระจ่างเกี่ยวกับกระบวนการสร้างใหม่ของสมอง รวมถึงยีนที่เกี่ยวข้องและวิธีที่เซลล์พัฒนาไปเป็นเซลล์ประสาทในท้ายที่สุด เรายังไม่ทราบว่าสัญญาณภายนอกใดที่เริ่มต้นกระบวนการนี้ นอกจากนี้ เราไม่ทราบว่ากระบวนการที่เราระบุยังคงมีอยู่ในสัตว์ที่มีวิวัฒนาการเมื่อเวลาผ่านไป เช่น หนูหรือมนุษย์

แต่เราไม่ได้อยู่คนเดียวในการไขปริศนาวิวัฒนาการของสมอง ห้องปฏิบัติการ Tosches ของมหาวิทยาลัยโคลัมเบียศึกษาความหลากหลายของเซลล์ในสายพันธุ์ซาลาแมนเดอร์อื่น Pleurodeles waltl ในขณะที่ห้องปฏิบัติการของ Fei ที่สถาบัน Guangdong Academy of Medical Sciences ในประเทศจีนและเพื่อนร่วมงานของ บริษัท ชีวภาพ BGI ได้ศึกษาวิธีการจัดเรียงเซลล์ในเชิงพื้นที่ axolotl สมองส่วนหน้า

การค้นพบเซลล์ทุกประเภทในสมองของ axolotl ยังช่วยปูทางสำหรับการวิจัยเชิงนวัตกรรมด้านเวชศาสตร์ฟื้นฟู สมองของหนูและมนุษย์สูญเสียความสามารถในการซ่อมแซมหรือสร้างตัวเองใหม่เป็นส่วนใหญ่ การแทรกแซงทางการแพทย์สำหรับการบาดเจ็บที่สมองอย่างรุนแรงในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การรักษาด้วยยาและสเต็มเซลล์เพื่อส่งเสริมหรือส่งเสริมการฟื้นตัว การศึกษายีนและประเภทเซลล์ที่ทำให้แอกโซลอเติลฟื้นตัวได้เกือบสมบูรณ์อาจเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงการรักษาอาการบาดเจ็บรุนแรงและปลดล็อกศักยภาพในการฟื้นฟูของมนุษย์


แผนที่เชิงพื้นที่ครั้งแรกของการฟื้นฟูสมองใน axolotl


ข้อมูลเพิ่มเติม:
Xiaoyu Wei et al., Single-cell Stereo-seq เผยเซลล์ต้นกำเนิดฉุกเฉินที่เกี่ยวข้องกับการฟื้นฟูสมอง Axolotl, ศาสตร์ (2022). ดอย: 10.1126/science.abp9444

ขับเคลื่อนโดย The Conversation

บทความนี้พิมพ์ซ้ำจาก The Conversation ภายใต้สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับบทสนทนา

อ้าง:แอกโซโลเติลสามารถสร้างสมองใหม่ได้ เผยความลับของการวิวัฒนาการและการสร้างใหม่ของสมอง (2022, 2 กันยายน) สืบค้นเมื่อ 2 กันยายน พ.ศ. 2565 จาก https://medicalxpress.com/news/2022-09-axolotls-regenerate-brains -revealing-secrets .html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ ยกเว้นเพื่อข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัว ห้ามทำซ้ำส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น